科研進(jìn)展
蘭州化物所高熵紅外輻射節(jié)能材料研究獲新進(jìn)展
工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能降碳是實(shí)現(xiàn)能源強(qiáng)國和雙碳目標(biāo)的重要路徑。高溫紅外輻射涂層通過熱輻射的方式實(shí)現(xiàn)熱量傳遞，在0.78~16 μm波段，可有效增強(qiáng)輻射傳熱、降低能耗和碳排放，在火力發(fā)電、冶金、石油化工、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。近年來，高熵氧化物因其獨(dú)特的晶格畸變、混合價(jià)態(tài)和豐富氧空位等特性，展現(xiàn)出優(yōu)異的紅外輻射可調(diào)控潛力。
中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所資源化學(xué)與能源材料研究中心/甘肅省節(jié)能與儲能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高祥虎研究員團(tuán)隊(duì)長期致力于高溫?zé)峁芾砼c節(jié)能新技術(shù)研究。前期，團(tuán)隊(duì)圍繞高熵尖晶石氧化物的設(shè)計(jì)制備與電磁波性能調(diào)控開展了系列研究，提出“熵驅(qū)動多相工程”策略，通過精準(zhǔn)調(diào)控鑭（La）摻雜量，在尖晶石型高熵氧化物基體中實(shí)現(xiàn)了三種晶相的熱力學(xué)穩(wěn)定共存，突破了傳統(tǒng)材料的性能局限。相關(guān)研究工作以“Entropy-Driven Multiphase Engineering Enables Superior Broadband Infrared Emissivity in High-Entropy Oxides”為題發(fā)表在Advanced Materials上（2025, 38, e08636）。
近期，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種將構(gòu)型熵與反尖晶石有序化耦合的通用化學(xué)策略，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)鍵的寬帶紅外發(fā)射率，在紅外輻射熱管理領(lǐng)域取得了新進(jìn)展。針對構(gòu)型熵與位點(diǎn)反轉(zhuǎn)、缺陷化學(xué)與晶格動力學(xué)耦合如何調(diào)控紅外輻射性能這一科學(xué)問題，該團(tuán)隊(duì)通過簡便、低成本的固相合成法，采用熵驅(qū)動位點(diǎn)反轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)合成了中熵氧化物(Co0.25Ni0.25Mn0.25Cu0.25)Cr2O4（如圖1），重點(diǎn)研究了中熵氧化物內(nèi)部混合價(jià)態(tài)、氧空位和電子結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，熵驅(qū)動位點(diǎn)反轉(zhuǎn)促進(jìn)了混合價(jià)態(tài)和豐富氧空位，增強(qiáng)了軌道雜化并激活了紅外聲子，將傳統(tǒng)尖晶石氧化物轉(zhuǎn)化為近黑體、耐高溫的紅外輻射體；該材料在0.78–16 μm波段的發(fā)射率達(dá)0.90，其中在1000 °C以上關(guān)鍵輻射換熱窗口（2–8 μm）的發(fā)射率是二元氧化物的兩倍以上（如圖2）；材料在1300 °C下經(jīng)過200小時(shí)高溫老化后，仍保持單相結(jié)構(gòu)和高發(fā)射率；塊體材料表現(xiàn)出低熱導(dǎo)率（800 °C時(shí)為0.53 W·m-1·K-1），作為可噴涂涂層在鋼和耐火材料上實(shí)現(xiàn)約0.96的發(fā)射率，模擬顯示可使?fàn)t內(nèi)溫度提高約44.3 °C。
圖1.中熵氧化物設(shè)計(jì)及紅外輻射性能調(diào)節(jié)
研究人員結(jié)合光譜分析與密度泛函理論計(jì)算，系統(tǒng)考察了中熵氧化物的混合價(jià)態(tài)、氧空位及電子結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，反尖晶石有序化和高構(gòu)型熵的協(xié)同效應(yīng)促進(jìn)了強(qiáng)軌道雜化、帶隙變窄和增強(qiáng)的電子-聲子耦合，這些機(jī)制共同支撐了卓越的紅外輻射性能。該研究系統(tǒng)的揭示了熵驅(qū)動下陽離子無序化、位點(diǎn)反轉(zhuǎn)與晶格缺陷協(xié)同調(diào)控電子結(jié)構(gòu)與聲子行為的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對紅外輻射性能的精準(zhǔn)優(yōu)化。這為開發(fā)兼具高發(fā)射率與高穩(wěn)定性的新一代紅外輻射涂層提供了理論指導(dǎo)，也為熱管理、能量轉(zhuǎn)換和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域下一代高溫材料的研發(fā)繪制了發(fā)展藍(lán)圖。
圖2.中熵氧化物的紅外輻射性能、高溫?zé)岱€(wěn)定性及熱傳導(dǎo)性能
相關(guān)研究成果以“Entropy-Enabled Site Inversion and Defect Activation in Medium-Entropy Spinels for Near-Black Infrared Emission”為題，發(fā)表在Advanced Materials（2026, DOI: 10.1002/adma.202572917）上。蘭州化物所孫戈婷博士為論文第一作者，高祥虎研究員、何成玉助理研究員和內(nèi)蒙古大學(xué)王蕾教授為共同通訊作者。
上述研究獲得了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、甘肅省重大科技專項(xiàng)、中國博士后科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
